为什么需要量子计算

前言

根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔约18-24个月增加一倍，性能也相应增加一倍。例如当前智能手机的CPU芯片，业内已经能够达到5nm的工艺节点，但是随着芯片元件集成度的不断提高，芯片内部单位体积内散热也相应增加，再由于现有材料散热速度优先，就会因“热耗效应”产生计算上限；另一方面，元器件尺寸的不断缩小，在纳米甚至更小尺度下经典计算世界的物理规律将不再适用，产生“尺寸效应。受到来自这两个方面的阻碍，再加之信息化社会的计算数据每日都在海量剧增，人类必须另觅他途，寻找新的计算方式，而量子计算可能是一个答案。

量子计算的基本思想是利用量子力学的规则和思想来处理问题和信息，遵循这样的思维导向可以轻易了解到量子计算的优势所在。在传统的计算机中，每当输入对应数量的信息，电脑即会相应地输出对应的数据；而如今将量子力学应用在计算机硬件设备中并且输入信息，就不仅是有序提供一些输入和读出数据那么简单，利用量子叠加态定律可实现一键式处理多个输入的强并行性；与传统的程序相比，这是一个指数级的加速和飞跃。除了理论意义上的计算速度的增长，量子计算还具有在不同领域发挥作用的现实可能性。

一、大数据检索

在当前的大数据和人工智能时代，量子计算可以解决海量的数据检索问题、以及当前令人束手无策的物流优化问题，实现成本节省和减少碳排放等。在海量信息充斥和庞杂的时代，强大的数据分析和梳理工具无疑对人们的生活和工作有着很大帮助。

二、量子模拟

在量子模拟方面，特别是生化制药中，量子模拟有望利用相应的量子算法在更长的时间范围内准确地进行分子模拟，从而实现当前技术水平无法做到的精确建模，这有助
于加速寻找能够换救生命的新型药物，并显著地缩短药物的开发周期。在这方面的一个领域特别有希望，模拟化学刺激对大量亚原子粒子的影响，称为量子化学。

量子计算机可以帮助加快对比不同药物对一系列疾病的相互作用和影响的过程，来确定最佳药物。此外，量子计算还可以带来真正的个性化医疗，利用基因组学的先进技术为每个病人量身定制治疗计划；基因组测序产生了大量的数据，整条DNA链的表达需要强大的计算能力和存储容量。一些公司正在迅速降低人类基因组测序所需的成本和资源。从理论上来说，量子计算机将使基因组测序更加高效，更容易在全球范围内扩展。利用量子计算机，还能够分析全世界范围内的DNA数据模式，以便在更深层次上了解基因组成，并有可能发现以前未知的疾病模式。

三、金融服务

金融分析师工作中通常依赖由市场和投资组合表现的概率和假设组成的算法。量子计算可以帮助消除数据盲点，防止毫无根据的金融假设造成损失。具体来说，量子计算影响金融服务行业的方式是解决复杂的优化问题，如投资组合风险优化和欺诈检测。量子计算可以更好地确定有吸引力的投资组合，因为有成干上万的资产具有相互关联的依赖性，并且可以更有效地识别关键的欺诈模式。

四、人工智能

在人工智能方面，量子计算能有效提高机器学习的深度和速度，突破人工智能发展的瓶颈。量子机器学习可以帮助人工智能以类似人类的方式，更有效地执行复杂的任务，例如，使人形机器人能够在不可预知的情况下实时做出优化决策。在量子计算机上训练人工智能可以提高计算机视觉识别、模式识别、语音识别、机器翻译等性能。

五、现代农业

量子计算机可以更有效地制造肥料。几乎所有的肥料都是由氨制成，提高生产氨或替代物的能力则意味着更便宜、更低能耗的肥料；高质量的肥料将有利于环境，并有助于养活地球上不断增长的人口；但由于催化剂组合数量是无限的，所以在改进制造或替代氨的工艺方面进展甚微。

从本质上讲，如果没有1900年代被称为Haber-Bosch Process的工业技术，则无法人工模拟这一过程，因为它需要极高的热量和压力将氮、氢和铁转化成氨。如果用今天的超级计算机进行数字化测试，找出合适的催化剂组合来制造氨，那么则需要几个世纪的时间。但是，量子计算机能够快速分析化学催化过程，并提出最佳的催化剂组合来产生氨。

六、云计算

量子云计算正在成为富有前景的领域。量子云平台可以简化编程，并提供对量子计算机的低成本访问。IBM、谷歌和阿里巴巴在内的大公司均在部署量子云计算项目，本源量子的云平台早在2017年就已上线，不断选代更新的强大功能为量子编程和量子计算是供了全新的视角和可能性。

七、网络安全

量子计算机可以用来破解保护敏感数据和电子通信安全的密码，同时，量子计算机也可以用来保护数据免受量子黑客攻击，这需要一种被称为量子加密的技术。量子加密是一种将纠缠光子（entangled photons）通过量子密钥分配（QKD）进行远距离传输的想法目的是保护敏感的通信。最重要的一点是，如果量子加密通信被人截获，加密方案将立即显示中断迹象，并显示通信不安全。这依赖于测量量子系统的行为会破坏系统的原理被称之为“测量效应”。

随着量子计算资源成本的下降以及量子基础知识的普及，更多的相关行业者将会出现，量子计算将会在各个行业中有越来越多的应用，特别是在那些传统计算机效率低下的领域，量子计算机的作用将会愈发明显。